该方法首次介绍了在毕赤酵母 (komagataella phaffii)高效诱导无甲醇重组蛋白生产的可靠实验程序, 并采用了碳源调节启动子 p dc和 pdf 在小规模试验中, 在可在线监测培养参数的同时, 可采用恒定的甘油饲料。
甲醇是一种成熟的碳源, 是利用毕赤酵母(p. pastoris) 作为微、实验室和工业规模的宿主的高效蛋白质生产的诱导剂。然而, 由于甲醇的毒性和易燃性, 人们希望在保持高生产率的同时避免甲醇的生产。小型生物反应器的栽培 (0.5-5l 工作体积) 通常用于评价菌株及其蛋白质生产特性, 因为深井板的微规模栽培很难控制或依赖昂贵的设备。此外, 还建立了传统的牧草培养和诱导方案, 用于本构表达或甲醇诱导, 目前还没有描述出筛选牧草表达的可靠协议。在平行栽培中具有无可抑制启动子的菌株。为了简化这种初始培养, 以表征和比较新的蛋白质生产菌株, 我们建立了一个简单的奶瓶培养系统, 用于甲醇自由表达, 模拟生物反应器条件, 包括持续缓慢的甘油饲料与在线监测相比, 生物反应器的实际情况更接近于小批量生产。为促进巴氏重组蛋白的表达, 采用碳源抑制启动子p dc 和pdf 。嵌入碳源的聚合物圆盘, 释放出恒定数量的甘油, 保证了饲料速率, 为保持启动子的活性提供了必要的能量, 同时保持了生物量的低产生。
细菌或酵母等微生物生产重组蛋白的产量提高和大规模可靠栽培条件是当今生物技术1的主要需求之一, 也是工业的商业成功应用。双原简单的栽培工艺和培养基, 高产和良好的特点工具 2 毕赤酵母 (komagataella phaffii)是一种广泛使用的非常规酵母重组蛋白生产。还为这一物种不断开发其他创新工具, 如新的表达载体, 包括新的启动子, 作为广泛使用的paox1的替代品, 酒精氧化酶1基因3的启动子区域, 4,5。在 cat1 (cta1) 基因的上游, 一个 500 bp 长的 dna 序列被确定为启动子区域, 这使得一种新的无甲烷和多功能表达策略在p.pastoris。cat1基因是巴氏唯一的过氧化氢酶基因, 蛋白质位于过氧化物酶体中。过氧化氢酶在活性氧的解毒过程中起着重要作用,活性氧是由过氧化物率 mut 途径中的甲醇氧化或脂肪酸 6,7的β氧化而产生的。在培养基中葡萄糖或甘油的出现中抑制了 cat1 基因的表达, 并在这些碳源枯竭时抑制了 8. 此外, 过氧化氢酶基因的表达可以诱导甲醇和再加工油酸, 似乎是唯一的基因, 可以诱导与油酸的 pic mut 途径, 甚至达到类似的表达水平甲醇感应9。
这个p. pastoris cat1启动子的 500 bp 片段, 被称为p dc (有时也缩写 pcat1-500), 已经被测试为生产内部表达和分泌的蛋白质, 它被证明是一个有吸引力的替代两个经典的p.巴斯普促进剂-强本构 p gap 和甲醇诱导 paox1,这是20多年前开发的。与富糖培养基中的 pgap相比, pdc的体积活性达到 21% (calb) 和 35% (hrp)。在甲醇诱导时, pdc的响应速度不仅快于 paox1, 而且最终滴度明显优于 p aox1.
除了 pdc外, 还发现了一个具有类似调节特征的正交启动子 (pdf)。然而, 它明显强于 p 直流在脱色下, 以及在甲醇诱导的条件下 (手稿在准备)3。
在强的本构 pgap失败的情况下, 由于生理上有问题或细胞毒性的蛋白质10,11, pdc和 pdf代表了一个理想的选择。在微观规模的实验中, 这些启动子驱动的表达式始于初始碳源 (如葡萄糖或甘油) 耗尽后, 这有助于生物质的生产, 而不会给细胞带来过度表达的负担。重组蛋白从一开始就开始。虽然这两个启动子仍然是由甲醇诱导, 但与使用 paox1 的表达式相比, 通过去抑制激活使诱导前阶段有更多的用途。此外, pdc和 pdf可用于无甲醇蛋白生产, 这是大型工业工艺12的理想目标。
为了开发适用的生产应变和表达式构造, 必须通过几个步骤来实现开发, 以便从大量的转换缩小到扩展的首选转换。屏幕通常在多井板 (微尺度: 小于 0.5 ml) 中的高吞吐量下执行, 以便捕获尽可能大的克隆范围。随后的重新筛选和重新筛选是下一步, 其次是摇瓶 (小规模: 50-250 毫升) 或 (微) 生物反应器筛选12。然而, 它是理想的方法, 这是最相似的不同的尺度之间从数百微升在深井板到几毫升的摇瓶, 以后来扩大的无甲醇生产在良好的控制生物 反应器。虽然摇瓶可以提供已经类似的体积作为小型生物反应器, 有几个限制, 这是高度相关的大规模蛋白质生产, 如不断喂养, 曝气和在线监测13的生长和供氧。采用适应摇瓶和摇瓶装置的光学监测为平行种植提供了更先进的设备, 同时仍提供有关主要文化参数的持续在线信息, 如生物质和溶解氧浓度。聚合物载体的碳源缓慢释放可用于确保恒定和可控进料, 而无需依赖复杂的技术解决方案和设备, 模拟比以前应用的简单充分生物反应器更相似的条件碳源9,10的消耗, 其中持续蛋白质表达的能量变得有限。
本文介绍了一种基于新的促进剂pdc和 pdf 的中、小型无甲烷可控蛋白表达系统.通过去镇压诱导涉及两个阶段。在没有产生感兴趣的蛋白质的情况下积累生物量的第一个短阶段, 使用抑制启动子的碳源和目标蛋白质生产的第二阶段, 其中碳源的浓度很小, 但不变保持启动子的压力。在整个栽培过程中, 对最关键的栽培参数进行了在线监测。目标是为p. pastoris提供一个免费、可靠和可扩展的甲醇栽培系统。
该方法为 p . pastoris 的高效甲醇独立诱导表达提供了一种可靠的协议, 以替代paox112 驱动的经典甲醇诱导蛋白表达。去可抑制启动子, 如 pdc, pdf或前面描述的突变paox1 变种 17, 建立了这个新的蛋白质生产概念的分子基础。有代表性的结果表明, 通过去抑制启动子和小规模筛选, 并进行简单的在线监测, 在p.越碎中表达重组蛋白的有效性和实用性。一方面, 通常用于诱导aox1 启动子的有害和有毒甲醇可以从培养中消除。另一方面, 生长和蛋白质生产阶段与本构蛋白表达相比, 与常用的pgap不同. 当细胞表达有毒或有害的蛋白质, 为它们带来负担时, 这一点尤其有益。
在蛋白质生产阶段开始之前, 以不同碳源浓度开始种植的可能性使人们能够决定希望获得多少生物质。在批次中选择较低的碳源浓度时, 由于细胞密度过高而产生的氧转移限制可以降低, 而另一方面, 较高的细胞密度也会导致较高的蛋白质滴度。通过从生物质生成和氧浓度的角度监测培养发育情况, 可以很容易地确定 fed-batch 启动的最佳时间点, 如图 1所示。
对于这些种植参数的在线监测, 应采用适当的测量系统。生物量测量装置 (如sfr vario) 是一种简单而经济的在线测量系统, 用于摇瓶中的培养监测。光电读取器通过散射光检测来确定烧瓶中的细胞生长, 并读出集成在烧瓶中的氧传感器的信号。生物量测量的光学元件由发光信号组成, 发光信号由培养液中的颗粒 (细胞) 散射, 并用光电二极管检测。光学传感器在被某波长的光激发时发出荧光。根据存在的分析物分子的数量, 这种荧光信号会发生变化, 这是由读取器光学检测并转化为浓度值。但是, 必须事先建立电池密度测量校准, 因为测量系统没有测量实际的 od600值。利用读卡器软件可以从氧曲线的斜率计算氧的吸收率, 温度和转速与其他参数一起连续记录。为了能够使用此系统进行监视, 摇瓶必须事先配备相应的传感器以满足所需的参数。
通过加入四个缓释聚合物圆盘, 为培养液提供恒定数量的甘油, 生物量积累几乎停止, 重组蛋白的生产继续进行。在这个实验中, 饲料盘加成时间点的确定并不是一个关键的步骤, 但应该考虑到, 在指数增长阶段之前, 过早的进给开始可能会随着表达的开始而抑制启动子的激活。碳源耗尽。此外, 由于聚合物容量限制, 总喂养时间可能会减少, 而在细胞到达固定阶段后推迟喂养可能会导致饥饿和已经产生的蛋白质降解。实验确定了该协议中使用的进料盘的数量, 以获得最佳的碳源释放, 从而在保持生物量生成较低的同时保持启动子的抑制 (数据未显示)。通过这种方式, 可以轻松地进行160至180分钟以上的耕种, 无需任何干预。
这一新协议的主要应用将是表达克隆筛选, 酶进化和发现, 定性和工程的新促进剂使用无甲烷培养协议在良好的监测条件下。原则上, 同样的协议应适用于采用甲醇和有限发酵碳源饲料的混合进料策略, 如 panula-perälää等人所述。在 2014年18。
The authors have nothing to disclose.
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Bacto Yeast Extract | BD Biosciences | 212720 | |
Baffled Flask 250 mL | DWK Life Science | 212833655 | |
BBL Phytone Peptone | BD Biosciences | 298147 | |
BioPhotometer | Eppendorf AG | 5500-200-10 | |
Certoclav-EL | CertoClav GmbH | 9.842 014 | |
Difco Yeast nitrogen base w/o amino acids | BD Biosciences | 291920 | |
Feed discs glycerol | Adolf Kuhner AG | 315060 | |
Glucose-monohydrate | Carl Roth GmbH + Co. KG | 6887 | |
Glycerol ≥98 % | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3783 | |
K2HPO4 | Carl Roth GmbH + Co. KG | 6875 | |
KH2PO4 | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3904 | |
Multitron Standard | Infors AG | 444-4226 | |
SFR Vario v2 | PreSens GmbH | 200001689 |